13.3. Двоичные счетчики импульсов

Счетчиком импульсов называют устройство,-предназначенное для подсчета числа импульсов, поступаю­щих на его вход, и хранения результата счета в виде кода. Счетчики импульсов широко применяются в изме­рительной технике и в устройствах цифровой обработки информации. Практически любую аналоговую величину (длительность и период повторения импульсов, угол по­ворота, перемещение, скорость и т. п.) можно преобразо­вать в электрические импульсы, число которых пропор­ционально значению аналоговой величины, подсчитать эти импульсы с помощью счетчика и выразить числом или кодом. На таком принципе основана и работа анало-гово-цифровых преобразователей. В ЭВМ счетчики применяются для формирования адресов команд, подсчета количества циклов при выполнении программы, подсчета количества шагов при выполнении операций умножении и деления.

Основные параметры и классификация. Счетчики им­пульсов выполняются на основе триггеров, образующих двоичные разряды. Количество разрядов определяется наибольшим числом, которое должен зафиксировать счетчик. В п-разрядном счетчике имеется один вход для счета импульсов и п выходов для выдачи кода числа под­считанных импульсов.

Основными параметрами счетчиков являются их ин­формационная емкость, или коэффициент пересчета К_сч, и быстродействие. Коэффициент пересчета определяется максимальным числом импульсов, которое может быть подсчитано данным счетчиком, и зависит от количества разрядов. При одном разряде К_сч = 2, при двух разрядах К_сч = 2², при трех — К_сч = 2³, при п разрядах К_сч = 2ⁿ. После поступления на n-разрядный счетчик 2ⁿ импульсов он обнуляется. Следовательно, в таком счетчике может длительное время сохраняться информация о (2ⁿ—1) или меньшем числе подсчитанных импульсов. Быстро­действие счетчика определяется двумя величинами: раз­решающей способностью и временем установки очеред­ного состояния. Разрешающая способность t_р = 1 / f_сч (f_сч — частота следования входных импульсов) определяется минимально допустимым временным интервалом между двумя выходными импульсами, при котором не происходит потери счета (сбоя). Время установки представляет собой интервал времени между поступлением импульса на вход счетчика и переходом его в новое состояние.

По целевому назначению счетчики подразделяются на простые и реверсивные. Простые счетчики могут быть суммирующими или вычитающими. В суммирующих счет­чиках каждый вновь поступающий на его вход импульс увеличивает показание счетчика на единицу, а в вычитаю­щих — уменьшает на единицу. Реверсивные счетчики мо­гут работать в обоих режимах: суммирования и вычи­тания.

По способу переключения триггеров во время счета импульсов счетчики подразделяются на асинхронные и синхронные. В асинхронных счетчиках переход каждого триггера (разряда) из одного состояния в противопо­ложное происходит сразу же после изменения сигналов на его управляющих входах. В синхронных счетчиках переключения триггеров при наличии соответствующих сигналов на управляющих входах происходят только в моменты поступления синхронизирующих импульсов.

По коэффициенту пересчета, или по модулю счета, счетчики делятся на двоичные с К_сч = 2ⁿ и недвоичные с К_сч ≠ 2ⁿ.

По способу организации цепей переноса информации между разрядами различают счетчики с последовательным, сквозным и параллельным переносами.

Двоичные счетчики осуществляют счет поступающих на их вход импульсов в двоичной системе счисления. Основным узлом двоичного счетчика является триггер со счетным запуском, осуществляющий подсчет импульсов по модулю 2. Количество последовательно соединенных триггеров определяет количество разрядов счетчика. Последовательное соединение триггеров осуществляется путем подключения счетного входа каждого последую­щего триггера к выходу предыдущего. Подсчитываемые импульсы подаются на счетный вход первого триггера, являющегося младшим разрядом счетчика.

Суммирующие счетчики с последовательным перено­сом. На рис. 13.8, а показана схема суммирующего четы­рехразрядного счетчика с последовательным переносом на двухступенчатых JK-триггерах. Принцип его работы иллюстрируется графиками, приведенными на рис. 13.8, б.

Перед началом работы все разряды счетчика уста­навливаются в нулевое состояние подачей отрицательного импульса на вход Уст. 0.

Рис. 13.8. Схема суммирующего четырехразрядного счетчика с после­довательным переносом (а) и графики, поясняющие его работу (б)

Первый импульс, поданный на счетный вход первого триггера, устанавливает в состоя­ние 1 первую ступень. Вторая (основная) ступень этого триггера устанавливается в единичное состояние после окончания действия первого импульса с некоторой за­держкой t_з1- Состояния остальных триггеров при этом не изменяются. Вторым счетным импульсом первый триг­гер переводится в нулевое состояние, которое устанавли­вается в нем после окончания действия второго импульса. Третий счетный импульс снова переводит первый триггер в единичное состояние и т. д. Таким образом, каждый не­четный импульс, поступающий на счетный вход первого триггера, переводит его в единичное состояние, а каждый четный возвращает в нулевое состояние (график Q₁ на рис. 13.8, б). В результате на выходе триггера первого разряда образуются прямоугольные импульсы, частота которых в два раза меньше, чем частота входных импуль­сов. Эти импульсы поступают на счетный вход триггера второго разряда. Первый импульс Q₁ осуществляет под­готовку единичного состояния триггера второго разряда, которое устанавливается после прекращения действия импульса Q₁. Второй импульс Q₁ возвращает триггер вто­рого разряда в нулевое состояние и т. д. Состояния триг­гера второго разряда будут характеризоваться импуль­сами Q₂, частота повторения которых в два раза меньше частоты повторения импульсов Q\. При этом импульсы Q₂ оказываются задержанными относительно срезов со­ответствующих входных импульсов Q₁ (2-го, 6-го, 10-го и т. д.) на время t_з2 > t_з1 (график Q₂ на рис. 13.8, б).

Триггер третьего разряда срабатывает от выходного импульса Q₂, и его состояния изображаются импульсами Q₃, которые имеют частоту повторения в два раза мень­шую, чем частота повторения импульсов Q₂. Кроме того, увеличивается и задержка импульсов Q₃ относительно входных импульсов: t_з3 > t_з2 (график Q₃ на рис. 13.8, б).

Состояния триггера четвертого разряда характери­зуются его выходными импульсами Q₄ которые имеют частоту повторения в два раза меньшую, чем частота по­вторения импульсов Q₃ (график Q₄ на рис. 13.8, б).

Состояния триггеров всех разрядов счетчика при по­ступлении на его вход серии импульсов отображены в табл. 13.2. Из таблицы видно, что максимальное число импульсов, которое может быть однозначно подсчитано счетчиком, определяется числом его разрядов и равно 2^п — 1, где п — число разрядов.

Табл. 13.2. Состояния триггеров счетчика

Недостатком счетчика с последовательным переносом является задержка переключения триггеров на каждом шаге передачи единицы от разряда к разряду (t_з4 > t_з3 > t_з2 > t_з1). Если t_з4 превысит временной интервал между счетными (входными) импульсами, произойдет искаже­ние информации. Следовательно, временная задержка переключения триггеров старшего разряда счетчика опре­деляет максимальное значение частоты входных им­пульсов.

Суммирующие счетчики со сквозным переносом. Для повышения быстродействия счетчика применяется сквоз­ной перенос импульсов между разрядами. Он заключа­ется в том, что переключение триггера любого разряда происходит лишь после завершения переходных процессов в триггерах предыдущих разрядов и при условии, что все они находились в единичном состоянии.

В счетчике (рис. 13.9), отличающемся от ранее рас­смотренного наличием на входах третьего и каждого по­следующего триггера схем совпадения, переключения триггеров осуществляются входными импульсами при на­личии на входах J и K логической 1. Триггер 2 переклю­чается входным импульсом при Q₁ = 1, триггер 3 — при Q₁ = Q2 = 1 (при этом q₁ = l) и

Рис. 13.9. Схема суммирующего счетчика со сквозным переносом на JK-триггерах

триггер 4 — при Q₁ = Q₂ = Q₃ = 1 (при этом q₂=1). После поступления на вход шести импульсов триггер находится в состоянии 0110, при котором Q₁ = 0, Q₂ = 1, Q₃ = 1, Q₄ = 0 и, сле­довательно, q₁ = q₂ = 0. При поступлении на вход счет­чика 7-го импульса первый триггер подготавливается к переключению, а состояния остальных триггеров не изме­няются. После окончания действия 7-го импульса первый триггер устанавливается в единичное состояние, при ко­тором Q₁ = 1, и логические единицы появляются на вхо­дах И1 и И2 (q₁ = q₂ = 1). Так как состояния триггеров TT₂, TT₃ и TT₄ не изменились, то задержка установления нового состояния счетчика 0111 определяется временем переключения триггера TT₁ и элемента И1.

После поступления на вход 14 импульсов в счетчике записывается число 1110. При этом Q₁ = 0; Q₂ = Q₃ = Q₄ = 1; q₁ = q₂ = 0. После поступления на вход 15-го импульса переключается только первый триггер, и на вы­ходах ЛЭ И1 и И2 появляются логические единицы. При этом Q₁ = Q₂ = Q₃ = Q₄ = 1, что соответствует двоичному коду 1111, и 16-й импульс переводит все триггеры в со­стояние, соответствующее логическому нулю.

Таким образом, в счетчиках со сквозным переносом максимальное время переключения составляет

где т — число логических элементов И в цепях переноса; t_з.и — задержка переключения одного элемента И; t_з.т — задержка переключения триггера.

Суммирующие счетчики с параллельным переносом. Лучшей помехоустойчивостью и меньшим временем пере­ключения обладают счетчики с параллельным переносом. У таких счетчиков на входы J и K каждого последующего триггера через элементы И подаются сигналы со входов всех предыдущих триггеров (рис. 13.10).

Рис. 13.10. Схема суммирующего счетчика с параллельным переносом

В таком счетчике время установления нового состояния всегда равно времени переключения одного разряда. Так как практи­чески все интегральные JK-триггеры на входах имеют встроенные элементы И, то схема такого счетчика не тре­бует дополнительных ЛЭ. Но поскольку число входов встроенных в триггеры элементов И не превышает трех, то на таких триггерах можно выполнить только четырехразрядный счетчик с параллельным переносом. Для увели­чения числа разрядов счетчик разбивают на группы по 4 разряда. В каждой группе осуществляется параллельный перенос, а между группами — сквозной. Такие счетчики называют групповыми.

Вычитающие счетчики. В вычитающих счетчиках пе­реключение триггера последующего разряда происходит при переключении триггера предыдущего разряда из ну­левого состояния в единичное. Принципиальная схема четырехразрядного вычитающего двоичного счетчика по­казана на рис. 13.11. Он отличается от суммирующего

Рис. 13.11. Схема вычитающего двоичного счетчика

счетчика с последовательным переносом (см. рис. 13.8) тем, что счетный вход каждого последующего триггера соединяется с инверсным, а не прямым выходом преды­дущего. Рассмотрим работу такого счетчика.

П редположим, что до поступления входных импульсов все разряды находились в состоянии логического 0. При этом Q₁ = Q₂ = Q₃ = Q₄ = 1, что соответствует коду по инверсным выходам 1111. После первого входного им­пульса состояние первого триггера изменится на противо­положное, при котором на счетный вход второго триггера поступит логический сигнал Q₁=0. Состояние второго триггера при этом не изменится, и информация по инверс­ным выходам станет 1110. После второго импульса сиг­нал Q₁ = 1 изменит состояние второго триггера на Q₂ = = 0, а состояния третьего и четвертого триггера не изменится. В счетчике по инвертирующим выходам окажется запи­санным число 1101 и т. д.

Если на входах каждого разряда включить схемы управления, то можно получить реверсивный счетчик, работающий, по выбору, как на сложение, так и на вычи­тание.